JP2016006340A

JP2016006340A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2016006340A
Application number: JP2014127302A
Authority: JP
Inventors: 一輝田村; Kazuki Tamura; 秀幸飛鷹; Hideyuki Tobitaka
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2016-01-14

Abstract

【課題】汎用の軸受鋼を用い、長時間の浸炭窒化処理も不要であり低コストでありながらも、耐割れ性に優れ、かつ、異物及び水混入下で、高荷重が加わる用途でも長寿命となる転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪及び外輪の少なくとも一方が軸受鋼製で、高周波熱処理が施されており、極値統計法によって予測される最大の酸化物系介在物が４０μｍ以下であり、軌道面の表面の残留オーステナイト量が１５〜３７体積％であり、かつ、反軌道面の表面の炭化物面積率が１．５〜１０％である転がり軸受。【選択図】図１

Description

本発明は転がり軸受に関し、より詳細には、水や異物が混入するような環境下で使用される外輪外径が１８０ｍｍ以上である大型の転がり軸受に関する。

建設機械や鉄鋼用圧延機等に使用される転がり軸受は、外輪外径が１８０ｍｍ以上の大型であり、低速回転で高荷重が負荷される。また、水や異物が混入しやすい環境で使用される。具体的には、鉄鋼用圧延機のロールネック軸受には、圧延時の重荷重・衝撃・振動等が作用するため、はめあい面における滑りによってクリープが発生する。また、圧延機用軸受には鉄粉塵等の固体異物や圧延水が混入し易い。クリープに対処するために、ロールネック軸受はしめしろが十分に確保された状態で使用されることが多く、長時間の運転ではく離等の表面損傷が発生した際、しめしろに起因する高フープ応力が損傷部に集中して割れが発生することがある。また、固体異物や圧延水の混入により、比較的短寿命の表面疲労も問題になっている。

潤滑剤に異物が混入した場合の転がり疲れ寿命の低下は、潤滑油中の異物（硬質の粒子）が転がり接触部に噛み込んで生じる圧痕縁の応力集中によって起こる。対策として表面の硬度を高くすることが行われており、残留オーステナイト量を制御することにより圧痕縁の応力集中を緩和する方法で行うことができる。

一方、潤滑剤に水が混入した場合の転がり疲れ寿命の低下は、以下に示す理由で起こるが知られている。転動体が軌道面に接触して荷重が加わるとき、軌道面は深さ方向に弾性変形を生じ、接触面近傍には引張り応力が生じる。引張り応力が作用する表面に酸化物系介在物と水が存在すると、酸化物系介在物と金属母相との間に隙間が生じ、その隙間に水が浸入して腐食反応が起こる。これによって酸化物系介在物周辺での応力集中が大きくなり、クラックの発生を招き、転がり疲労寿命を低下させる。

そのため、異物や水が混入する環境で使用される軸受には、亀裂の起点となる非金属系介在物を減少して応力集中を小さくする対策が採られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平６−１１７４３８号公報特開平６−１２９４３６号公報

ところで、軸受の内外輪には、軸受鋼を炉加熱すぶ焼入れしたものが広く使用されているが、異物混入潤滑環境下で使用される軸受では、残留オーステナイト量の増加が必要であり、そのための手段として固溶炭素量の増加を目的として高温からの焼入れが行われる。しかし、この方法では部品の心部まで高温に曝されるため、部品全体の固溶炭素量が多くなり、割れ強度が通常ずぶ焼入れ品に比べて劣化する。軸受鋼に浸炭窒化を施して表面のみ残留オーステナイト量を増加させることも行われているが、この場合も、割れの起点は表面であることが多いことから、同様の理由にて割れ特性の向上は難しい。そのため、割れが懸念される用途では、ＣｒやＮｉ、Ｍｏ等を含有して焼入れ性を確保した低中炭素鋼（Ｃ：０．１〜０．４質量％）を用い、浸炭窒化処理することにより軸受として必要な硬さと耐割れ性を確保している。しかし、浸炭窒化処理では、表面から炭素を部品内部に侵入させるため、拡散距離は処理時間の１／2乗に比例するため、処理時間が長くなり易く、熱処理コストの増大を招き易い。そのため、浸炭窒化温度を高温化することにより処理時間の短縮を図っているが、限界がある。

一方、水の混入によるはく離を考えた場合、低炭素鋼を使用する浸炭軸受は、高炭素鋼を使用する標準的なずぶ焼鋼に比べて不利になる場合が多い。これは、低炭素鋼は高炭素鋼よりも高清浄度化が難しいことに起因する。そのため、中炭素鋼または低炭素鋼で水混入型の表面疲労寿命を向上させるためには、通常の軸受鋼で行われている真空脱ガス以外に、特殊な溶解法を行って材料清浄度の向上を図る必要がある。

特許文献１では、低炭素鋼を浸炭窒化処理しており、特許文献２でも浸炭窒化処理を施している。このように、従来では、耐割れ性、水や固体異物混入下での長寿命を満足させるためには、特殊溶解した中炭素鋼あるいは低炭素鋼を軌道輪素材として用い、長時間の浸炭を施す必要があり、低コストでの提供が無難しいという問題があった。

そこで本発明は、汎用の軸受鋼を用い、長時間の浸炭窒化処理も不要であり低コストでありながらも、耐割れ性に優れ、かつ、異物及び水混入下で、高荷重が加わる用途でも長寿命となる転がり軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記の転がり軸受を提供する。
（１）内輪及び外輪の少なくとも一方が軸受鋼製で、高周波熱処理が施されており、極値統計法によって予測される最大の酸化物系介在物が４０μｍ以下であり、軌道面の表面の残留オーステナイト量が１５〜３７体積％であり、かつ、反軌道面の表面の炭化物面積率が１．５〜１０％であることを特徴とする転がり軸受。
（２）軌道面の表面の炭化物面積率が１．５〜６％であり、かつ、前記反軌道面の表面の面積率よりも小さく、反軌道面の表面硬さがＨＶ５１７以上であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。

本発明によれば、汎用の軸受鋼を用い、長時間の浸炭窒化処理も不要であり低コストでありながらも、耐割れ性に優れ、かつ、異物及び水混入下で、高荷重が加わる用途でも長寿命となる転がり軸受を提供することができ、特に建設機械や鉄鋼用圧延機等に使用される大型軸受として有用である。

本発明の転がり軸受の一例である、円筒ころ軸受を示す断面図である。介在物予測最大径と、水混入潤滑下におけるＬ１０寿命との関係を示すグラフである。残留オーステナイト体積分率と、異物混入潤滑下におけるＬ１０寿命との関係を示すグラフである。炭化物面積率と、残留オーステナイト体積分率との関係を示すグラフである。炭化物面積率と、ビッカース硬度との関係を示すグラフである。炭化物面積率と、抗折強度比との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

本発明の転がり軸受は、後述するように、水や異物が混入した場合でも長寿命を示すことから、建設機械や鉄鋼用圧延機等に使用される大型の転がり軸受として有用である。例えば、図１は円筒ころ軸受を示す断面図であるが、外周面に内輪軌道面１ａを有する内輪１と、外周面に外輪軌道面２ａを有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の円筒ころ３と、円筒ころ３を保持する保持器４とを備えており、両軌道面１ａ，２ａと円筒ころ３の転動面３ａとの潤滑が、グリースや潤滑油等の潤滑剤（図示せず）により行われている。

本発明では、円筒ころ軸受の内輪１及び外輪２の少なくとも一方、好ましくは両方を、ＳＵＪ２やＳＵＪ３、１００ＣｒＭｎＳｉ６−４等の汎用の軸受鋼製とする。軸受鋼は、浸炭鋼に比べて清浄度が高く、水混入に起因するはく離寿命を向上させる効果がある。

また、各軌道面１ａ、２ａ、更には図中の符号５、６、７、８で示される各表面に高周波熱処理を施して硬化層を形成する。その際、部位別の温度制御による組織制御を行い、各軌道面１ａ、２ａに対して表面の残留オーステナイト量を増加させる。高周波熱処理時、鋼材の温度が高くなると、時間経過により炭化物中の炭素が鉄の格子中に拡散し、固溶炭素量が増えることでＭｓ点が下がる。そのため、高周波熱処理時に適切な出力と加熱時間とを調整することにより、転がり疲労を受ける各軌道面１ａ、２ａの表面の残留オーステナイト量を制御し、異物混入に起因するはく離寿命を向上させる。本発明では、高周波熱処理により、各軌道面１ａ、２ａの表面の残留オーステナイト量を１５〜３７体積％、好ましくは１８体積％以上、より好ましくは２５体積％以上に調整する。

また、軌道面１ａ，２ａ以外の部分、特に軸との嵌め合い面である反軌道面（図中の符号５）に対しては、高周波夏処理時の基地への固溶炭素量を調整することで、耐割れ性を付与できる。本発明では、この反軌道面５の表面の炭化物面積率を１．５〜１０％、好ましくは５％以上とする。

高周波熱処理では、処理面に高周波電源に接続したコイルを対向配置し、コイルへの高周波出力により処理面の加熱状態を制御することができるため、部位別に硬化状態を制御することができる。

また、極値統計法により予測される存在する最大の酸化物系介在物が４０μｍ以下、好ましくは３３μｍ以下、更に好ましくは２２μｍ以下とする。極値統計法は、正規分布、指数分布、対数分布等に従う集合に対して最大値及び最小値等の極値を予測する手法であり、鋼材中に含まれる介在物の最大径を予測する手法として非常に有効であることが知られている（「金属疲労微小欠陥と介在物の影響」村上敬宣著、養賢堂（１９９３））。また、転がり軸受の介在物起点型剥離においては、極値統計法で予測した最大介在物径と転動疲労寿命には良い相関が見られることが知られている（長尾ら、Sanyo Technical Report，Vol．12，No．1，pp38（2005））．

極値統計を行う際には、日本トライボロジー学会の「軸受鋼における介在物の評価研究会」の提案に従う。即ち、鋼材断面の観察面積１００ｍｍ^２に存在する最大の酸化物系介在物を求め、それを鋼材の３０箇所の断面にて実施して、それぞれの観察断面における最大の酸化物系介在物を求め、小さい介在物から順に極値統計グラフにプロットし、最小二乗法を用いて最大介在物分布曲線を求める。そして、同曲線から、面積３００００ｍｍ^２に存在する最大の酸化物系介在物を求める。尚、介在物は、近似的に長方形と仮定して求め、その面積（長径Ｄ×短径ｄ）の平方根を求めることで酸化物系介在物の粒径とする。

このように、酸化物系介在物が微細であると、基地との隙間が無くなり、転がり疲労を受けても介在物が応力集中源とならず、寿命向上に効果的となる。

本発明では上記の規定に加えて、各軌道面１ａ、２ａの表面の炭化物面積率が１．５〜６％であり、かつ、上記した反軌道面５の表面の炭化物面積率よりも小さいことが好ましい。各軌道面１ａ、２ａは、残留オーステナイト量を上記のように確保するために、炭化物面積率を少なくする必要があり、更には残留オーステナイト増加による寸法安定性劣化という負の要因をできるだけ低減させることが好ましいため、表面の炭化物面積率を反軌道面５の表面の炭化物面積率よりも小さくする。

また、反軌道面５の表面硬さをＨＶ５１７以上にすることが好ましく、これによりフレッチング摩耗を防止することができる。

更には、各軌道面１ａ、２ａの表面硬さをＨＶ６５０以上とすることが好ましい。表面硬度は高い面圧が作用する転がり軸受に必要な基本特性であり、ＨＶ６５０以上であれば特に問題が生じないことが知られている。本発明で用いるＳＵＪ２のような高炭素鋼を高周波熱処理することにより、この硬度が容易に得られる。また、ＨＶ５５０以上の有効硬化層深さ（Ｙ_０）が０．０７・Ｄｗ（玉直径）よりも薄い場合、心部のせん断応力に耐えられず早期破壊する可能性があるため、Ｙ_０＞０．０７・Ｄｗとすることが好ましい。尚、心部の硬さとしてはＨＶ５００〜６５０が好ましい。上記したように、反軌道面の表面硬さはＨＶ５１７以上が好ましいが、そのためには心部の硬さをＨＶ５００以上にすることが望ましい。また、特に心部の硬さがＨＶ７００以上になると、焼割れを起こすことが懸念される。

以下に、上記した各規定値による効果を確認するために、実施例及び比較例を挙げて説明する。

（実施例１〜３、比較例１〜２）
呼び番号ＮＵ２３２６を想定して、表１に示す鋼材を用い、熱処理を施して内輪を作製した。先ず、清浄度の異なるＳＵＪ２、ＳＵＪ３または１００ＣｒＭｎＳｉ６−４を旋削して粗加工した後、高周波熱処理を施して軌道輪に硬化層を形成した。その後、焼戻しを行い、切削加工して内輪完成寸法（内径：１３０ｍｍ、外径：１６７ｍｍ、幅：９３ｍｍ）に仕上げた。また、比較のために、比較例１では一般浸炭鋼であるＳＣＲ４２０を用い、粗加工後、浸炭焼入焼戻処理を行い、比較例２ではＳＵＪ２を用い、粗加工後、炉加熱焼入焼戻処理を行った。そして、作製した内輪を、外輪及び転動体とともに組み込み、試験軸受（呼び番号ＮＵ２３２６）とし、下記条件にて水混入潤滑試験及び異物混入潤滑試験を行った。結果を表１に、水混入試験結果については比較例１の寿命に対する相対値にて、異物混入試験結果については比較例２の寿命に対する相対値にて示す。

＜水混入潤滑試験条件＞
・軸受名番：ＮＵ２３２６
・荷重：２０ｔｏｎ（Ｐ／＝０．２３）
・潤滑条件：＃６８タービンオイル油浴水混入量６０ｃｃ／ｈｒ
＜異物混入潤滑試験条件＞
・軸受名番：ＮＵ２３２６
・荷重：２０ｔｏｎ（Ｐ／＝０．２３）
・潤滑条件：＃６８タービンオイル油浴
・異物：異物の代替として、内輪の軌道面に幅方向中央にロックウェル圧痕８点形成

また、表１には、熱処理品質（極値統計法による最大の酸化物系介在物の大きさ（介在物予測最大径）、軌道面の表面の残留オーステナイト量（γＲ）、軌道面の表面の炭化物面積率、反軌道面の表面の炭化物面積率、内輪圧砕強度比）を示す。

比較例１の浸炭鋼は、表面の残留オーステナイト量の多さから、異物混入潤滑下における寿命は実施例と同等であるが、水混入潤滑下では実施例よりも劣る。また、比較例２は、介在物予測最大径の小ささから水混入潤滑環境下における寿命は実施例と同等であるが、異物混入潤滑下における寿命は実施例よりも劣る。実施例は両者の利点が共存するため、何れの潤滑下でも長寿命を確保できることがわかる。また、本実験のみからは、極値統計法による最大の酸化物系介在物の大きさを３３μｍ以下、軌道面の表面の残留オーステナイト量を１８体積％以下にすることにより、寿命を大幅に延長できることがわかる。

また、内輪の圧砕強度比は比較例２に対する相対値であるが、実施例及び比較例１はともに比較例２よりも高強度であり、実施例と比較例１とでは同等の強度であるといえる。実施例において、反軌道面の表面の炭化物面積率を測定したところ、５％以上であり、反軌道面の表面の炭化物面積率よりも小さくなっている。

（実施例４〜１０、比較例３）
清浄度の異なる鋼材を用い、粗加工した後、実施例では高周波熱処理（ＩＨ）を施し、その後焼戻し、研削加工して呼び番号５１３０５軸受用の内輪（内径：２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、幅１８ｍｍ）を作製した。比較例３では、浸炭焼入焼戻を行った。このようにして表２のように介在物予測最大径の異なる内輪を作製した。そして、軸受を組み立て、下記条件にて水混入潤滑試験を行った。結果を表２に、比較例３のＬ１０寿命に対する相対値にて示す。また、図２に、この寿命比と、介在物予測最大径との関係を示す。
＜水混入潤滑試験条件＞
・軸受名番：５１３０５
・面圧：３．２ＧＰａ
・試験面：研磨面
・潤滑条件：ＶＧ１０油浴水混入量３０ｃｃ／ｈｒ

表２及び図２から、介在物予測最大径が４０μｍ以下のときに、寿命比２倍以上を確保できることがわかる。特に、介在物予測最大径が２２μｍ以下であれば、寿命比２．７倍以上を確保できるため、更に望ましい。

（実施例１１〜１８、比較例４）
実施例では、粗加工した後、出力条件を変えて高周波熱処理（ＩＨ）を施し、その後焼戻し、研削加工して呼び番号５１３０５軸受用の内輪（内径：２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、幅１８ｍｍ）を作製した。比較例４では、炉加熱ずぶ焼入焼戻を行った。このようにして表３に示すように軌道面の表面の残留オーステナイト量の異なる内径を作製した。そして、軸受を組み立て、下記条件にて異物混入潤滑試験を行った。結果を表３に、比較例４のＬ１０寿命に対する相対値にて示す。また、図３に、この寿命比と、残留オーステナイト量との関係を示す。
＜異物混入潤滑試験条件＞
・軸受名番：５１３０５
・荷重：４．２ＧＰａ
・試験面：研磨面
・潤滑条件：＃６８タービンオイル油浴

表３及び図３から、軌道面の表面の残留オーステナイト量が１５体積％以上のときに、寿命比２倍以上を確保できることがわかる。特に、軌道面の表面の残留オーステナイト量が２５体積％以上であれば、寿命比３倍以上を確保できるため、更に望ましい。

（実施例１９〜２３、比較例５〜１０）
ＳＵＪ２製の内輪（内径：１３０ｍｍ、外径１６７ｍｍ、幅９３ｍｍ）を種々の出力条件にて高周波熱処理を行い、表４に示す軌道面の表面の残留オーステナイト量及び炭化物面積率とした。また、図４に、軌道面の表面の炭化物面積率と残留オーステナイト量との関係を示す。

表４及び図４から、軌道面の表面の炭化物面積率が６％以下であれば、表面の残留オーステナイト量を１５体積％以上にすることができ、図３に示すように異物混入潤滑下でのＬ１０寿命を確保することができる。

（実施例２４〜３１、比較例１１〜１３）
ＳＵＪ２製の内輪（内径：１３０ｍｍ、外径１６７ｍｍ、幅９３ｍｍ）を種々の出力条件にて高周波熱処理を行い、表５に示す反軌道面の表面の炭化物面積率及び表面硬さ（ビッカース硬度）とした。また、図５に、反軌道面の表面の炭化物面積率とビッカース硬度との関係を示す。

表５及び図５から、反軌道面の表面の炭化物面積率が１０％以下であれば、表面のビッカース硬度ＨＶ５００以上を確保することができ、フレッチング摩耗を防止することができる。

（実施例３２〜４２、比較例１４〜１５）
反軌道面の表面の炭化物面積率の耐割れ性を評価するために、次の試験を行った。直径１２．８ｍｍの軸受鋼からなる丸棒に、その長手方向中央部の円周上に１．５Ｒの溝を付与した。溝深さは０．７５ｍｍ、溝の幅は２．６ｍｍである。その後、周波数１０ｋＨｚにて高周波焼入れを行い、試験片を作製した。その際、出力条件を種々変更して、表６に示す表面の炭化物表面率とした。また、比較例１５では、高周波焼入れではなく、炉加熱ずぶ焼入れを行った。

そして、各試験片にいついて下記条件にて抗折試験を行い、比較例１５に対する強度比を求めた。また、図６に、表面の炭化物面積率と抗折強度比との関係を示す。尚、何れの試験片も、Ｒ溝底の中心から亀裂が発生すると同時に、亀裂は停止することなく試験片の破断に至ることを確認している。

表６及び図６から、表面の炭化物面積率が１．５％以上であれば、比較例１５のずぶ焼焼入れ品よりも耐割れ性に優れ、特に５％以上では１．５倍以上の抗折強度が確保される。

１内輪
１ａ内輪軌道面
２外輪
２ａ外輪軌道面
３円筒ころ
４保持器

Claims

内輪及び外輪の少なくとも一方が軸受鋼製で、高周波熱処理が施されており、極値統計法によって予測される最大の酸化物系介在物が４０μｍ以下であり、軌道面の表面の残留オーステナイト量が１５〜３７体積％であり、かつ、反軌道面の表面の炭化物面積率が１．５〜１０％であることを特徴とする転がり軸受。
軌道面の表面の炭化物面積率が１．５〜６％であり、かつ、前記反軌道面の表面の面積率よりも小さく、反軌道面の表面硬さがＨＶ５１７以上であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。